Jurnal Flywheel, Volume 2, Nomor 1, Juni 2009 ISSN :

Transkripsi

1 PERBEDAAN LAJU ALIRAN PANAS YANG DISERAP AIR DALAM PEMANAS AIR BERTENAGA SURYA DITINJAU DARI PERBEDAAN LAJU ALIRAN AIR DALAM PIPA KOLEKTOR PANAS Sumanto Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Nasional Malang ABSTRAK Energi saat ini merupakan kebutuhan utama untuk menggerakkan kehidupan industri di negara-negara maju. Kebutuhan energi terbesar masih dipenuhi oleh energi konvensional yang berupa minyak bumi, sedangkan energi fosil ini jumlahnya terbatas, cepat habis dan tidak dapat diperbaharui. Energi matahari merupakan energi alternstif yang dapat menggantikan peran dari energi fosil. Negara-negara maju seperti Jepang, Amerika, Korea dan negara-negara Eropa telah memanfaatkan energi matahari secara maksimal seperti untuk pembangkit listrik tenaga surya dan untuk menggerakkan kendaraan. Tetapi penggunaan energi matahari di Indonesia masih tergolong sangat rendah, sebab baru dimanfaatkan untuk menjemur pakaian, menjemur produk yang memerlukan proses pengeringan, menjemur hasil pertanian dan sebagainya. Salah satu pemanfaatan energi matahari di Indonesia yang dapat dikembangkan adalah pemanas air. Pemanas air dengan energi matahari ini memanfaatkan prinsip perpindahan kalor yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Kalor dari matahari diradiasikan ke penyerap (absorber), kemudian di koduksikan ke dalam air yang mengalir di dalamnya dan terakhir di konveksikan dalam air itu sendiri. Teknologi pemanas air dengan tenaga matahari telah banyak dikembangkan termasuk di Indonesia. Air menyerap panas (kalor) terjadi pada bagian pengumpul panas (heat collector) dari alat pemanas air bertenaga matahari. Aliran air dalam pipa pada kolektor panas tentu mempengaruhi panas yang diserap oleh air yang mengalir dalam pipa tersebut. Air sebanyak 40 liter disirkulasikan dalam pemanas ini dengan menggunakan sebuah pompa air. Bagian input dan output pada pipa dipasang thermometer untuk mengukur temperatur air yang masuk dan keluar pipa penyerap panas. Untuk mengatur laju aliran air digunakan sebuah kran. Hasil analisis data menunjukkan bahwa F hitung 3,5937 > F tabel(4;25;0,05 ) sehingga disimpulan ada perbedaan antara laju aliran panas yang diterima oleh air yang disebabkan oleh perbedaan laju aliran air dalam pipa absorber pada pemanas air bertenaga matahari. Kata kunci: Aliran panas, laju aliran air, kolektor panas PENDAHULUAN Energi saat ini merupakan kebutuhan utama untuk menggerakkan kehidupan industri di negara-negara maju. Kebutuhan energi terbesar masih dipenuhi oleh energi konvensional yang berupa minyak bumi, sedangkan energi fosil ini jumlahnya 17

2 terbatas, cepat habis dan tidak dapat diperbaharui. Dalam rangka untuk mengatasi penggunaan energi fosil secara berlebihan, energi alternstif yang murah, tersedia dalam jumlah banyak dan tidak cepat habis mulai diteliti. Energi matahari adalah energi yang memenuhi criteria ini, di mana sinar matahari dapat diperoleh tanpa harus membeli. Energi matahari di negara tropis seperti Indonesia tersedia dalam jumlah yang sangat besar dan energi matahari tidak akan habis dalam waktu dekat. Negara-negara maju seperti Jepang, Amerika, Korea dan negara-negara Eropa telah memanfaatkan energi matahari secara maksimal seperti untuk pembangkit listrik tenaga surya dan untuk menggerakkan kendaraan, sehingga peran energi yang berasal dari minyak bumi dapat tergantikan. Tetapi penggunaan energi matahari di Indonesia masih tergolong sangat rendah, sebab baru dimanfaatkan untuk menjemur pakaian, menjemur produk yang memerlukan proses pengeringan, menjemur hasil pertanian dan sebagainya. Di daerah tertentu di Indonesia mulai dikembangkan energi listrik yang berasal dari energi matahari. Pemanfaatan energi matahari sebagai pembangkit listrik telah dirintis di daerah Watugajah Gedangsari Gunung Kidul Yogjakarta dan di Kecamatan Sukatani Purwakarta Jawa Barat. Salah satu pemanfaatan energi matahari di Indonesia yang dapat dikembangkan adalah pemanas air. Pemanas air dengan energi matahari ini memanfaatkan prinsip perpindahan kalor yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Kalor dari matahari diradiasikan ke penyerap (absorber), kemudian di koduksikan ke dalam air yang mengalir di dalamnya dan terakhir di konveksikan dalam air itu sendiri. Teknologi pemanas air dengan tenaga matahari telah banyak dikembangkan termasuk di Indonesia. Air menyerap panas (kalor) terjadi pada bagian pengumpul panas ( heat collector) dari alat pemanas air bertenaga matahari. Aliran air dalam pipa pada kolektor panas tentu mempengaruhi panas yang diserap oleh air yang mengalir dalam pipa tersebut. Untuk mengetahui perebedaan penyerapan panas oleh air berdasarkan laju aliran air dalam pipa kolektor panas, maka penelitian ini mengambil judul Perbedaan kalor yang diserap air dalam pemanas air bertenaga surya ditinjau dari perbedaan laju aliran air dalam pipa kolektor panas. KAJIAN PUSTAKA ENERGI MATAHARI Matahari adalah sebuah bola besar dengan diameter 1,39 x 10 9 m, tersususn dari material berbentuk gas dan jarak ratarata terhadap bumi 1,5 x m. Temperatur efektif matahari adalah 5777 kelvin dan di bagian dalan sampai dengan inti temperaturnya berkisar antara 8 x10 6 K sampai dengan 40 x 10 6 K. Matahari adalah sumber segala energi. Energi matahari berasal dari reaksi fusi termonuklir yang terjadi secara terus menerus. Reaksi fusi di mana hydrogen 18

3 (dengan empat proton) terbentuk dari helium (dengan satu proton) disertai dengan kehilangan 0,7% massanya yang diubah menjadi energi yang merupakan sumber energi matahari. Reaksi fusi dalam matahari adalah 4H 1 He MeV. PERPINDAHAN PANAS Perpindahan panas dari matahari ke air dalam mesin pemanas melalui prosesproses radiasi, konduksi dan konveksi. Energi panas diradiasi dari matahari ke pipa kolektor panas kemudian dikonduksi pada pipa tersebut dan terakhir dikonveksi dalam air itu sendiri Radiasi Radiasi adalah perpindahan panas (kalor) tanpa melalui perantara. Perpindahan panas ini melalui gelombang elektromagnetik. Perpindahan panas pada benda ideal (benda hitam) mengikuti persamaan: ( ) Di mana: q perpindahan panas (J/s) konstanta Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2.K4) A luas permukaan penerima panas (m2) T temperatur (K) Menurut Jansen (19 95) perpindahan panas radiasi pada ruang kolektor pemanas air mengikuti persamaan: ( ) emisivitas plat penyerap kaca. Konduksi Konduksi adalah perpindahan panas dalam suatu penghantar, tetapi partikelpertikel penghantar tersebut tidak ikut berpindah. Konduksi adalah perpindahan panas dari temperatur tinggi ke temperatur rendah melalui sebuah penghantar padat. Persamaan laju perpindahan panas pada konduksi adalah sebagai berikut: ΔT Δx Untuk penghantar berbentuk persegi panjang dan ΔT Δr Untuk penghantar berbentuk silinder. Di mana laju aliran panas konduktivitas termal bahan luas penampang gradien suhu tebal bahan tebal bahan silinder Konveksi Konveksi adalah proses perpindahan panas melalui sebuah penghantar dan partikel-partikel penghantar tersebut ikut berpindah. Perpindahan ini banyak terjadi 19

4 pada zat cair dan gas. Mekanisme perpindahan panas ini dipengaruhi oleh sifat-sifat termal zat tersebut yaitu: massa jenis, kekentalan, kecepatan alir dan sebagainya. Secara umum persamaan perpindahan panas secara konveksi dirumuskan dengan h ( ) Di mana: A luas penampang (m2) H koefisien peprindahan panas konveksi (W/m 2. 0 C) T w temperatur permukaan ( 0 C) T b temperatur rata-rata fluida ( 0 C) Dalam proses konduksi panas pada pipa dan konveksi panas pada air, laju perpindahan panas dirumuskan dengan: 1 h + ln ( / ) h Di mana q : laju perpindahan panas menyeluruh (J/s) T udara : temperatur udara T air : temepratur air h i : koefisien perpindahan panas konveksi udara (J/s.m 2. o C) h o : koefisien perpindahan panas konveksi udara (J/s.m 2. o C) k : konduktivitas termal pipa (J/s.m. o C) A i : luas permukaan luar pipa (m 2 ) A o : luas permukaan dalam pipa (m 2 ) L : panjang pipa (m) r : jari-jari pipa (m) Secara umum panas yang diserap oleh air mengikuti persamaan.. q : panas yang diterima air (J) m : massa air (kg) c : panas jenis air (J/kg. o C) t : perubahan temperatur Massa air yang mengalir dalam pipa per detik adalah... M massa air yang mengalir per detik (kg/s) massa jenis air (kg/m 3 ) v kecepatan aliran air (m/s) A luas penampang pipa (m 2 ) Q debit air (m 3 /s) Sehingga kalor yang diterima oleh air dalam pipa adalah... DEBIT Dalam mekanika fluida, aliran air dibagi menjadi dua macam yaitu streamline atau aliran laminar dan aliran turbulen (turbulent flow). Liran laminar (streamline) adalah jika partikel-partikel air putus-putus dan tidak saling memotong antara lintasan partikel 20

5 satu dengan lintasan partikel yang lain. Sedangkan aliran yang tidak memenuhi kondisi tersebut dikatakan sebagai aliran turbulen. Misalkan aliran laminar fluida terjadi secara tetap dalam sebuah pipa, maka laju aliran volume air (debit air) dalam pipa tersebut adalah: Di mana: Q debit air (m3/s) V volume air (m3) t waktu (s) Penyekat terbuat dari bahan yang tidak menyerap panas. Ketebalan bahan ini biasanya sekitar 5 cm dan dipasang di bawah penyerap panas. Penyerap panas terbuat dari pipa logam yang dicat berwarna hitam agar dapat menyerap panas dengan baik. Penyerap ini berdiameter 3/8 inchi dan panjangnya 20 m dibuat secara zigzag. Kotak pengumpul panas (casing) terbuat dari kayu dengan kedalaman antara cm. Pengumpul panas diletakkan pada kedalaman setengah dari kedalaman kotak. METODE PENELITIAN Konstruksi Alat Pemanas air bertenaga matahari tersusun atas komponen utama yaitu pengumpul panas ( heat collector), tangki penyimpan air (t andon) dan beberapa pipa untuk mengalirkan air. Pengumpul Panas (Heat Collector) Pengumpul panas terdiri dari beberapa bagian yaitu lembaran penutup (cover sheet) penyerap panas ( heat absorber), penyekat (insulator) dan kotak pengumpul pemanas (casing). Lembaran penutup terbuat dari kaca dengan ketebalan antara 5 mm. Fungsi penutup ini adalah mengijinkan sinar masuk tanpa diserap oleh kaca dan melindungi alat dari udara dingin yang dihembuskan oleh angin. Gambar 1. Kolektor panas yang terdiri dari penutup, pipa penyerap, lembar penyekat dan kotak penyimpan Tangki Tangki air berfungsi sebagai penyimpan air setelah dipanaskan dalam kotak pengumpul panas.untuk menghindari pertukaran panas langsung dari tangki, maka tangki dilapisi dengan bahan yang 21

6 tidak dapat menyerap atau melepas panas. Bahan yang digunakan untuk isolasi ini adalah serabut kelapa. Pipa Pipa yang digunakan untuk menghubungkan dan mengalirkan air dari kolektor panas dan dari air dingin ke kolektor panas. Pipa yang digunakan berukuran 1/2. Bagian-bagian dari sistem pemanas air bertenaga matahari dapat digambarkan sebagai berikut: Gambar 2. Bagian-bagian dari pemanas air bertenaga matahari METODE PENELITIAN Air sebanyak 40 liter disirkulasikan dalam pemanas ini dengan menggunakan sebuah pompa air. Bagian input dan output pada pipa dipasang thermometer untuk mengukur temperatur air yang masuk dan keluar pipa penyerap panas. Untuk mengatur laju aliran air digunakan sebuah kran. Pengambilan Data Sebelum dilakukan pengambilan data di lapangan terlebih dulu diambil data tentang massa jenis ( density) air yang digunakan. Data panas jenis air diambil dari literature. Data-data yang diambil dari lapangan dalam penelitian ini adalah temperatur awal yaitu temperatur air ketika masuk dalam pipa penyerap panas, temperatur akhir yaitu temperatur ketika air keluar dari pipa penyerap panas dan laju aliran air dalam pipa penyerap panas. Pengambilan data dilakukan di atap gedung Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Nasional Malang pada siang hari antara jam 9 (Sembilan) sampai dengan jam 11 (sebelas) dalam interval tiap 20 menit. Untuk menentukan perbedaan laju aliran panas yang diterima air yang disebabkan perbedaan debit air digunakan uji F dengan uji anova factor tunggal. Untuk menghitung nilai F digunakan program Microsoft Excel Hipotesis Hipotesis dalam penelitian ini adalah: H 0 : tidak ada perbedaan laju panas yang disebabkan oleh perbedaan debit air H 1 : terdapat perbedaan laju panas yang disebabkan oleh perbedaan debit air H 0 ditolak jika F hitung > F tabel dan H 0 diterima jika F hitung < F tabel. 22

7 DATA PENELITIAN Data penelitian yang berhasil diperoleh adalah sebagai berikut: air 995,17 kg/m 3 c 995,17 J/kg. o C Tabel 1 Data hasil penelitian N o Jam T i Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 T i T i T i T i , , , ,5 39,5 33,5 40, , , ,5 45, , , , , ,5 43,5 50,5 48, Keterangan: Q1 debit air 2,0 x 10-5 m 3 /s Q2 debit air 2,1 x 10-5 m 3 /s Q3 debit air 2,2 x 10-5 m 3 /s Q4 debit air 3,13 x 10-5 m 3 /s Q5 debit air 2,86 x 10-5 m 3 /s Analisis Data dan Pembahasan Dari data yang diperoleh dihitung laju aliran kalor yang diterima air yang mengalir dalam pipa penyerap panas disajikan dalam tabel berikut ini: Tabel 2. Laju aliran panas yang diterima air No Laju Aliran Panas (J/s) q1 q2 q3 q4 q Anova: Single Factor SUMMARY Groups Count Sum Average Variance q q q q q ANOVA Source of Variation SS df MS F P-value F crit Between Groups Within Groups Total Gambar 3. Hasil perhitungan data dengan program MS Excel

8 Data yang ada dalam tabel 2 secara statistik dihitung dengan menggunakan progam Microsoft Excel 2007 untuk menentukan harga F hitung diperoleh hasil sebagai mana disajikan dalam gambar 3. Dari hasil perhitungan statistik dengan bantuan program Microsoft Excel 2007 diperoleh F hitung 3,5937. Hasil tersebut jika dibandingkan dengan harga F tabel pada taraf signifikansi 5% (F 4;25;0, ). Jika F hitung dibandingkan dengan F tabel maka diperoleh F hitung > F tabel sehingga H 0 ditolak, dan ada perbedaan antara laju aliran panas yang diterima oleh air yang disebabkan oleh perbedaan debit air yang mengalir dalam pipa absorber pada pemanas air bertenaga matahari. Karena debit air dipengaruhi oleh kecepatan aliran air dalam suatu pipa maka perbedaan penyerapan panas oleh air dapat dikatakan disebabkan oleh perbedaan laju aliran air dalam pipa. KESIMPULAN Perbedaan laju aliran air dalam pipa absorber pada sistem pemanas air bertenaga matahari mengakibatkan perbedaan laju aliran panas yang diserap oleh air tersebut. 4. J.P. Holman. Heat Transfer. Sixth Edition. McGraw Hill Co. Singapore. 5. Stu Campbell and D. Taff, 1980, How to Build Your Own Solar Water Heater. 4 th Printing. Garden Way Associates, Inc. USA. DAFTAR PUSTAKA 1. D. C. Giancoli Physics: Principles and Application. Sixth Edition. Pearson Prentice Hall. USA. 2. D.C. Montgomery and G. C. Runger. Applied Statistics and Probability for Engineers. Third Edition. John Wiley & Sons, Inc. 3. Jansen. J. Ted. Arismunandar Wiranto Teknologi Rekayasa Surya. Penerbit Pradnya Paramita. Jakarta. 24